寧波材料所在魚側線感測系統啟發的水下感測系統方面取得進展

在自然界中，為了感知周圍環境變化，魚類與水生兩棲類動物進化出側線感測器，實現對周圍水流的感知、對礁石等障礙物的判斷等多種功能。其中魚類對水深及振動感知的機理受到廣泛關注，因為精準地捕獲水下深度與水下振動能夠為水下預警、生物追蹤、水下環境探索等多種水下活動的開展提供豐富且必要的資訊。近年來，柔性感測材料被廣泛用於整合各種水下感測器。然而，水環境對感測器感測效能的負面影響仍然存在，且基於柔性感測材料的水下感測器的水下深度探測範圍有限。因此，設計一種具有柔性、環境穩定性、水下寬範圍深度檢測與振動感知的感測器具有重要意義。

近期，

中國科學院寧波材料技術與工程研究所陳濤研究員、肖鵬副研究員

基於在碳基/高分子複合薄膜的構築及其柔性感測器方面的研究基礎（ACS Nano， 2019， 13， 4368； Nano Energy， 2019， 59， 422； Nature Commun。， 2020， 11， 4359； Nano Energy， 2021， 81， 105617； Adv。 Funct。 Mater。， 2021， 31， 2105323； Nano-Micro Lett。，2022， 14， 32等），

受能夠感知水深及周圍振動的魚側線感測系統啟發，開發了一種仿魚側線水下機械感測器，可實現高效水下探測與振動監測。

本工作採用介面功能化的方法在空氣/水介面實現了石墨烯/Ecoflex複合薄膜的構築。其中，石墨烯片層半嵌入Ecoflex的結構賦予了該複合薄膜優異的感測效能與穩定性，Ecoflex賦予薄膜良好的力學效能，薄膜整體的超薄結構賦予其卓越的附形性與自支撐性。隨後，受魚側線感測系統結構啟發，組裝了基於石墨烯/Ecoflex薄膜的仿魚側線水下機械感測器（LUMS）。

研究發現，

LUMS中的薄膜自發產生的形變程度隨水壓的增大而增大，並且能夠透過調控薄膜的尺寸實現0.3～1.8m的水下深度探測。同時，LUMS能夠對來自地面的機械振動頻率、振幅實現實時監測（例如彈珠下落、敲擊、跺腳）。此外，LUMS在感知液麵微小機械振動方面（例如颳風、下雨、樹枝落入水中）表現出高靈敏性，並且能夠識別水下生物遊過產生的波動。

總的來說，仿魚側線水下感測器有望在水下監測、水下通訊以及水下預警等領域發揮重要作用。

魚側線感測系統啟發的自適應水下機械感測器的示意圖與水下感測示意圖

該工作以題為“

Bioinspired Adaptive, Elastic and Conductive Graphene Structured Thin-Films Achieving High-Efficiency Underwater Detection and Vibration Perception

”的論文發表在

Nano-Micro Lett.

， 2022， 14，62 。本研究得到了國家自然科學基金（52073295，51803226）、國家自然科學基金委中德交流專案（M-0424）、中科院前沿科學重點研究專案（QYZDB-SSW-SLH036）、中國科學院國際合作局（174433KYSB20170061）、寧波市科技局（2021Z127）及王寬誠國際交叉團隊（GJTD-2019-13）等專案的資助。

論文連結

https：//link。springer。com/article/10。1007/s40820-022-00799-4